Una figura esquemática del modelo cuántico de espín central de Rydberg. Crédito:Ashida et al.
Las moléculas de Rydberg son moléculas gigantes compuestas por decenas o cientos de átomos unidos a un átomo de Rydberg. Estas moléculas tienen un dipolo permanente (es decir, un par de polos con carga opuesta o magnetizados), ya que uno de sus átomos está en un estado muy excitado.
Los físicos han estado estudiando las moléculas de Rydberg tanto teórica como experimentalmente durante varios años. La mayoría de los estudios que investigan estas moléculas, sin embargo, solo se han centrado en situaciones que no implican espines cuánticos, ya que la naturaleza de muchos cuerpos de las moléculas de Rydberg hace que analizar su dinámica de espín sea particularmente desafiante.
En un estudio teórico reciente, investigadores de la Universidad de Tokio, la Academia de Ciencias de China, El Instituto Max Planck y la Universidad de Harvard pudieron capturar la interacción de la dinámica de espín de los electrones de Rydberg y el movimiento orbital de los átomos utilizando un nuevo método que combina una transformación de desacoplamiento de impurezas con un ansatz gaussiano. Sus papeles, publicado en Cartas de revisión física y Revisión física A , introducir un nuevo modelo teórico que también podría aplicarse a otros problemas cuánticos de muchos cuerpos.
"El análisis de la dinámica de espín en las moléculas de Rydberg sigue siendo un problema desafiante debido a su naturaleza inherente de muchos cuerpos, "Yuto Ashida, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "El objetivo principal de nuestra investigación fue abordar este problema, avanzando en nuestra comprensión de la dinámica de espín fuera de equilibrio en gases de Rydberg con espín ".
El principal desafío en la investigación de la dinámica de espín fuera de equilibrio en los gases de Rydberg giratorios es que los físicos deben tener en cuenta el movimiento orbital de los átomos y el entrelazamiento de impurezas y medio ambiente mediado a través del acoplamiento de rango ultralargo simultáneamente. Hasta ahora, esto ha dificultado mucho la captura de la dinámica de espín de las moléculas de Rydberg.
"A lo mejor de nuestro conocimiento, no hay un enfoque teórico aplicable a este nuevo tipo de problema cuántico de muchos cuerpos, "Explicó Ashida." Esta es la razón por la que desarrollamos un nuevo enfoque variacional aplicable para resolver un tipo genérico de problema de impurezas cuánticas bosónicas ".
El nuevo enfoque teórico introducido por Ashida y sus colegas se basa en una idea llamada "desenredar la transformación canónica, "que fue presentado por el mismo equipo de investigación en un artículo anterior, también publicado en PRL . La transformación canónica desenredante utiliza la simetría de paridad para desacoplar completamente los grados de libertad de impureza y ambiente, lo que finalmente permite a los investigadores superar los problemas asociados con la captura de la dinámica de espín en los gases de Rydberg de una manera muy eficiente.
El método variacional que Ashida y sus colegas utilizaron para capturar la interacción de la dinámica de espín de los electrones de Rydberg y el movimiento orbital de los átomos en las moléculas de Rydberg combina la transformación canónica desenredante con un ansatz gaussiano para el baño de partículas. Este método permitió a los investigadores revelar varias características que no están presentes en los problemas tradicionales de impurezas.
Una de estas características es la renormalización inducida por interacción del espectro de absorción, que elude explicaciones simples de los estados ligados moleculares. Usando su método variacional, los investigadores también pudieron observar oscilaciones duraderas del espín del electrón de Rydberg.
"El hallazgo más interesante de nuestro estudio fue que la dinámica de precesión de espín tiene una vida útil inesperadamente larga a pesar de la naturaleza no integrable del actual problema de interacción de muchos cuerpos, ", Dijo Ashida." Interpretamos esta característica como un remanente de la integrabilidad del llamado problema de giro central, que se puede obtener si tomamos el límite de masa infinita en nuestro modelo ".
La observación de que la dinámica de precesión de espín en las moléculas de Rydberg tiene una duración sorprendentemente larga podría tener implicaciones para varios subcampos de la física. incluyendo atómico, física molecular y óptica (AMO). De hecho, la presencia de relajación y termalización en sistemas complejos de muchos cuerpos sigue siendo un área de investigación activa tanto en física AMO como en física estadística.
En el futuro, el modelo variacional desarrollado por los investigadores y los análisis que realizaron también podrían aplicarse a otros sistemas de física atómica y química cuántica. Esto es especialmente cierto para los sistemas en los que una excitación electrónica de un número cuántico orbital alto interactúa con un baño cuántico giratorio.
"En nuestros próximos estudios, nos gustaría ampliar aún más nuestro modelo para incluir el momento angular distinto de cero del electrón de Rydberg, "Ashida dijo." Otras preguntas de investigación abiertas incluyen la generalización de nuestro problema al baño fermiónico, Aplicación de nuestro enfoque variacional general a otros desafiantes problemas de impurezas cuánticas. Esperamos que nuestros estudios estimulen más investigaciones en estas direcciones ".
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